ΤΟΠΙΚΟΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ EUSO 2017 ΦΥΣΙΚΗ 10 Δεκεμβρίου 2016 ΛΥΚΕΙΟ:.... ΟΜΑΔΑ ΜΑΘΗΤΩΝ: 1.. 2.. 3.. ΜΟΝΑΔΕΣ:
Το κραςί που παράγεται από τισ χώρεσ τθσ Ευρώπθσ αποτελεί πάνω από τθ μιςι παγκόςμια παραγωγι ενώ θ Ελλθνικι παραγωγι κραςιοφ αποτελεί το 1% τθσ παγκόςμιασ. Για να παραχκεί ζνα καλό κραςί απαιτοφνται γνώςεισ Φυςικισ, Χθμείασ και Βιολογίασ. Σιμερα κα γίνετε οινοπαραγωγοί για μια μζρα και κα χρθςιμοποιιςετε αναλυτικζσ τεχνικζσ για να διερευνιςετε τισ αλλαγζσ που πραγματοποιοφνται κατά τθ διαδικαςία τθσ οινοποίθςθσ. Η θλικία πάνω από τθν οποία επιτρζπεται θ κατανάλωςθ κραςιοφ διαφζρει από χώρα ςε χώρα. Η κατανάλωςι του όπωσ και θ κατανάλωςθ οποιουδιποτε τροφίμου και ποτοφ κατά ςτθ διάρκεια των εργαςτθριακών δραςτθριοτιτων απαγορεφεται για όλουσ, ανεξάρτθτα από τθν θλικία. Μελζτη αγωγιμότητασ διάφορων δειγμάτων κραςιοφ Το πρόβλημα Η μόνιμθ αγωνία των οινοποιών είναι μιπωσ και το κραςί τουσ ξινίςει. Αν ςυμβεί αυτό τότε θ προςπάκειά τουσ να παράγουν κραςί προσ κατανάλωςθ πάει χαμζνθ. Ζνασ οινοποιόσ ζφερε ςτο εργαςτιριό ςασ τρία δείγματα κραςιοφ από τρία διαφορετικά βαρζλια ωρίμανςθσ. Στο πλαίςιο αυτισ τθσ άςκθςθσ κα μετριςετε τθν αγωγιμότθτα των δειγμάτων του κραςιοφ με ςκοπό να υποδείξετε ςτον οινοποιό ποιό από τα τρία δείγματα ζχει ολοκλθρώςει τθν ωρίμανςι του και ζχει περιςςότερεσ πικανότθτεσ να αρχίςει να ξινίηει. Λίγα λόγια από τη θεωρία Α. Κφριοσ υπεφκυνοσ για το ξίνιςμα ενόσ κραςιοφ είναι τα βακτιρια, κυρίωσ τα οξικά και τα γαλακτικά αλλά και διάφοροι άλλοι μικροοργανιςμοί που μεταβολίηουν διάφορα ςυςτατικά του κραςιοφ ι/και του μοφςτου και παράγουν ανεπικφμθτεσ ουςίεσ που αλλοιώνουν το κραςί, όπωσ το οξικό οξφ και ο οξικόσ αικυλεςτζρασ. Αυτό ζχει ωσ ςυνζπεια, πζρα από τθν ξινι γεφςθ, και αφξθςθ τθσ αγωγιμότητασ του κραςιοφ: αυτό που ζχει αρχίςει να ξινίηει ζχει μεγαλφτερθ αγωγιμότθτα από αυτό που εξακολουκεί να ωριμάηει. Β. Λίγα λόγια για τθν θλεκτρικι αγωγιμότθτα Η θλεκτρικι αγωγιμότθτα ενόσ υλικοφ οφείλεται ςτθν κίνθςθ θλεκτρικά φορτιςμζνων ςωματιδίων που περιζχει το ςυγκεκριμζνο υλικό. Τα θλεκτρικά αυτά φορτιςμζνα ςωματίδια μποροφν να μετακινοφνται με τθν επίδραςθ εξωτερικοφ θλεκτρικοφ πεδίου, δθλαδι με τθν εφαρμογι θλεκτρικισ τάςθσ, θ οποία μπορεί να μετρθκεί με ζνα βολτόμετρο. Η κίνθςθ αυτι θλεκτρικά φορτιςμζνων ςωματιδίων γίνεται μακροςκοπικά αντιλθπτι με τθ μορφι θλεκτρικοφ ρεφματοσ του οποίου θ ζνταςθ μπορεί να μετρθκεί με ζνα αμπερόμετρο. Η πειραματικι μελζτθ τθσ θλεκτρικισ αγωγιμότθτασ ενόσ υλικοφ βαςίηεται ςτθ μελζτθ τθσ ςχζςθσ τθσ τάςθσ που εφαρμόηεται ςε τεμάχιο υλικοφ και τθσ ζνταςθσ του θλεκτρικοφ ρεφματοσ που εμφανίηεται. Ζτςι αν εφαρμόηεται ςτο παραπάνω υλικό τάςθ V και εμφανίηεται θλεκτρικό ρεφμα ζνταςθσ Ι, ιςχφει θ ςχζςθ : V = R I 1
Ο ςυντελεςτισ R είναι γνωςτόσ ωσ αντίςταςθ του ςυγκεκριμζνου υλικοφ και μετριζται ςε Ωμ Ω. Το αντίςτροφο τθσ αντίςταςθσ είναι θ αγωγιμότθτα και μετριζται ςε Siemens (S). Αν θ τάςθ που κα εφαρμοςτεί είναι ςυνεχισ ςτακερι τότε και θ ζνταςθ του ρεφματοσ αναμζνεται να είναι ςυνεχισ ςτακερι. Αντίςτοιχα, αν θ εφαρμοηόμενθ τάςθ μεταβάλλεται περιοδικά τότε αναμζνεται αντίςτοιχθ περιοδικι μεταβολι τθσ ζνταςθσ του θλεκτρικοφ ρεφματοσ. Τότε γίνεται λόγοσ για εναλλαςςόμενθ θλεκτρικι αγωγιμότθτα ι ςυντομογραφικά ωσ Α.C. από τα αρχικά των αγγλικών λζξεων Alternative Current. Κατά τθ μζτρθςθ εναλλαςςόμενων τάςεων τα βολτόμετρα παρζχουν μία τιμι που χαρακτθρίηεται ωσ ενεργόσ τιμι τάςθσ, ενώ τα αμπερόμετρα παρζχουν τθν ενεργό τιμι τθσ ζνταςθσ του ρεφματοσ. Αυτζσ τισ τιμζσ κα διαβάηετε ςτο αμπερόμετρο I και το βολτόμετρο (V) τθσ διάταξισ ςασ και κα χρθςιμοποιιςετε ςτουσ υπολογιςμοφσ ςασ. Γ. Γεννιτρια ςυχνοτιτων Στο Σχιμα 2 φαίνεται θ γεννιτρια ςυχνοτιτων που κα χρθςιμοποιιςετε κατά τθν παροφςα εργαςτθριακι άςκθςθ. Εικόνα 1. Η γεννιτρια ςυχνοτιτων Η γεννιτρια ςυχνοτιτων παρζχει διάφορεσ μορφζσ περιοδικά μεταβαλλόμενθσ τάςθσ και μπορεί επιπλζον να λειτουργεί και ωσ τροφοδοτικό εναλλαςςόμενθσ τάςθσ. Από τισ πολλζσ επιλογζσ που παρζχει θ γεννιτρια ςυχνοτιτων, κα χρειαςτεί να χρθςιμοποιιςετε μόνο τθ μεταβολι του πλάτουσ τθσ εναλλαςςόμενθσ τάςθσ κουμπί 4 ςτθν παραπάνω εικόνα, ςφμφωνα με όςα κα ςασ ηθτθκοφν κατά τθν πειραματικι διαδικαςία. Προςοχή! Μθν πειράξετε κανζνα άλλο κουμπί τθσ γεννιτριασ, θ οποία ζχει ρυκμιςτεί κατάλλθλα εκ των προτζρων για να υποςτθρίξει τισ μετριςεισ που κα κλθκείτε να πραγματοποιιςετε.
Πειραματική διαδικαςία Όργανα υλικά Στον πάγκο ςασ: 1. Γεννιτρια ςυχνοτιτων 2. Ζνα αμπερόμετρο 3. Ζνα βολτόμετρο 4. Καλώδια ςφνδεςθσ: 3 μπανάνα-κροκοδειλάκι και 1 μπανάνα-μπανάνα 5. Συςκευι αγωγιμότθτασ (φελιηόλ και θλεκτρόδια-καρφιά με ςφρμα ςτθν άκρθ) 6. Τρία ποτθράκια Α, Β, Γ για τα δείγματα του κραςιοφ 7. Ζνα κομμάτι φελιηόλ με τρφπα ςτθ μζςθ για να ςτθρίηετε το ποτθράκι που μετράτε Στον κοινόχρθςτο πάγκο: 1. Τρία δείγματα κραςιοφ από όπου κα γεμίςετε τα ποτθράκια Α, Β, Γ 2. Τρεισ ςφριγγεσ, μία για κάκε δείγμα κραςιοφ, για να γεμίςετε τα ποτθράκια ςασ Σημεία προςοχήσ αφαίρεςη βαθμών από κακή χρήςη Προςοχή! Απαγορεφεται θ κατάποςθ δειγμάτων κραςιοφ. Παράβαςθ αυτοφ του κανόνα κα οδθγιςει ςε αποκλειςμό τθσ ομάδασ από το διαγωνιςμό. Η διάταξθ αγωγιμότθτασ δεν είναι απόλυτα ευςτακισ μθχανικά. Λάβετε μζριμνα ώςτε να μην αναποδογυρίςει χφνοντασ κραςί ςτον πάγκο εργαςίασ. Μθ κζςετε ςε λειτουργία τθ γεννιτρια ςυχνοτιτων και μθν ξεκινιςετε τισ μετριςεισ αν δεν πάρετε ζγκριςθ από τον επιβλζποντα κακθγθτι. Προςζξτε τθ ςφνδεςθ αμπερομζτρου και βολτομζτρου ςτο κφκλωμα και τθ χριςθ τουσ. Εργαςτηριακζσ Δραςτηριότητεσ Ελζγξτε ότι ο πάγκοσ εργαςίασ ςασ διακζτει όλα τα παραπάνω υλικά. Γεμίςτε το ποτθράκι Α με ml από το αντίςτοιχο δείγμα κραςιοφ Α, που βρίςκεται ςτον κοινόχρθςτο πάγκο, χρθςιμοποιώντασ τθ ςφριγγα Α. Τοποκετείςτε το γεμάτο ποτθράκι ςτο ειδικό φελιηόλ για καλφτερθ ςτιριξθ πριν αρχίςετε τισ μετριςεισ. Επαναλάβατε το ίδιο ςτθ ςυνζχεια και για τα δείγματα Β και Γ. Προςοχή! Αν χυκεί το δείγμα ςασ και χρειαςτεί αντικατάςταςθ κα ζχετε βακμοφσ ποινισ. Πραγματοποιιςτε το παρακάτω κφκλωμα, προςζχοντασ να μθν αλλάξετε τισ επιλογζσ που ιδθ υπάρχουν ςτθ γεννιτρια ςυχνότθτα 0,9 khz και DC OFFSET ςτθ κζςθ OFF. Τάςθ κα πάρετε από το καλώδιο που ιδθ υπάρχει ςυνδεδεμζνο ςτο διακόπτθ με τθν ζνδειξθ SIGNAL OUT και καταλιγει ςε κόκκινο και μαφρο κροκοδειλάκι.
Σχιμα 1. Το κφκλωμα Καλζςτε τον επιβλζποντα κακθγθτι για να ελζγξει τθ διάταξι ςασ και να εκτιμιςει τθν προςπάκειά ςασ, πριν κζςετε ςε λειτουργία τθ γεννιτρια ςυχνοτιτων. Σκοπόσ τθσ εργαςτθριακισ άςκθςθσ είναι να υπολογίςετε τθν αγωγιμότθτα των τριών 3 δειγμάτων κραςιοφ. Ανοίξτε τθ γεννιτρια ςυχνοτιτων - να τθν κλείνετε αμζςωσ μόλισ τελειώνετε με το κάκε δείγμα και να τθν ανοίγετε μόλισ είςτε ζτοιμοι να ξεκινιςετε τισ μετριςεισ του επόμενου. Ξεκινιςτε τθν πειραματικι διαδικαςία κζτοντασ με περιςτροφι ςτθν κατάλλθλθ κάκε φορά κζςθ το κουμπί 4 που δείχνει το μαφρο βελάκι τθσ γεννιτριασ ςυχνοτιτων Εικόνα 1, ώςτε το βολτόμετρο να δείχνει αρχικά τάςθ περίπου 100mV. Σθμειώςτε τθν αντίςτοιχθ ζνταςθ του θλεκτρικοφ ρεφματοσ ςτο κφκλωμα. Για κάκε δείγμα να πραγματοποιιςετε πζντε 5 μετριςεισ, αυξάνοντασ κατά περίπου 100mV ±20% τθν τάςθ ςτο δείγμα κάκε φορά και χωρίσ να ξεπεράςετε τα 550mV. Συμπλθρώςτε τον Πίνακα 1 Πίνακασ 1 Δείγμα V I Α Β
Γ [Στισ παρενκζςεισ να ςυμπλθρώςετε τισ μονάδεσ μζτρθςθσ των αντίςτοιχων φυςικών μεγεκών] Επεξεργαςία δεδομζνων Να απεικονίςετε γραφικά τισ τιμζσ του Πίνακα 1 για τα 3 δείγματα ςτο παρακάτω φφλλο χαρτιοφ μιλλιμετρζ ςε κοινό ςφςτημα αξόνων. Εφόςον, κατά τθ γνώμθ ςασ, τα πειραματικά ςασ ςθμεία ςτισ παραπάνω γραφικζσ παραςτάςεισ μποροφν να προςεγγιςκοφν με ευκεία γραμμι, για κάθε δείγμα, να χαράξετε αυτι τθν ευκεία γραμμι, για κάκε δείγμα, και με κατάλλθλθ αιτιολόγθςθ να υπολογίςετε τθν κλίςθσ τθσ. Σθμειώςτε τθν ζνδειξθ Α, Β και Γ ςτθν αντίςτοιχθ γραμμι που χαράξατε.
Κλίςθ ευκείασ τθσ γραφικισ παράςταςθσ για το δείγμα Α: Κλίςθ ευκείασ τθσ γραφικισ παράςταςθσ για το δείγμα Β: Κλίςθ ευκείασ τθσ γραφικισ παράςταςθσ για το δείγμα Γ: Ποια είναι θ φυςικι ςθμαςία τθσ κλίςθσ των ευκειών που χαράξατε ςτισ παραπάνω γραφικζσ παραςτάςεισ; Να αναφζρετε πικανοφσ παράγοντεσ ςφαλμάτων ςτθν πειραματικι διαδικαςία που ακολουκιςατε και προτάςεισ ενδεχόμενθσ βελτίωςισ τθσ. Ποιο δείγμα κραςιοφ κεωρείτε πιο πικανό να ξινίςει και κατά ςυνζπεια ακατάλλθλο και γιατί; Καλή επιτυχία!
Επιτροπι Θεμάτων Φυςικισ: Θανάςθσ Καροφτθσ Παναγιώτθσ Πετρίδθσ Θοδωρισ Πιερράτοσ Μαρία Τςακίρθ